帶BRB的高層鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)的抗震性能

王秀麗，趙 杰

（蘭州理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，蘭州730050）

中心支撐框架系統(tǒng)和偏心支撐框架系統(tǒng)在傳統(tǒng)的減震設(shè)計(jì)方法中減震性能有一定的可靠性［1］，但是在強(qiáng)震作用下結(jié)構(gòu)中的耗能機(jī)制會(huì)產(chǎn)生屈曲現(xiàn)象，在框架中加入防屈曲耗能支撐［2－7］，即buckling－restrained brace，簡(jiǎn)稱(chēng)BRB，可以克服傳統(tǒng)支撐受壓屈曲破壞的缺點(diǎn)。高層鋼框架中的梁柱節(jié)點(diǎn)作為結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位，起著傳遞結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力和協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)變形的作用。目前對(duì)于帶支撐的框架梁柱節(jié)點(diǎn)的研究已有很多［8－9］，在此基礎(chǔ)上對(duì)帶BRB的高層鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)的研究是很有必要的。

文章運(yùn)用ABAQUS有限元軟件，對(duì)比分析帶BRB的框架梁柱節(jié)點(diǎn)和帶普通支撐的框架梁柱節(jié)點(diǎn)的抗震性能。針對(duì)帶BRB的框架梁柱節(jié)點(diǎn)，通過(guò)變換支撐內(nèi)芯的屈服強(qiáng)度，節(jié)點(diǎn)板的大小、厚度以及節(jié)點(diǎn)板上面外加勁肋的長(zhǎng)度來(lái)觀察這些參數(shù)對(duì)節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響規(guī)律。

1 節(jié)點(diǎn)有限元模型

1.1 算例設(shè)計(jì)

以一榀3跨10層的鋼支撐框架結(jié)構(gòu)為例，跨度為8m，層高為3.9m，框架柱底部與基礎(chǔ)嵌固，框架平面圖、立面圖和三維立體圖如圖1所示。建筑所在場(chǎng)地的抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.2 g，水平地震影響系數(shù)最大值為0.16，Ⅲ類(lèi)場(chǎng)地土，設(shè)計(jì)地震分組為第一組。樓面恒荷載和活荷載標(biāo)準(zhǔn)值分別為6.0kN／m2和3.0kN／m2?？蚣芰翰捎煤附親型鋼梁，柱子為箱形截面柱，梁柱之間采用剛性連接，支撐焊接在節(jié)點(diǎn)板上，BRB采用內(nèi)芯為十字型鋼板外包鋼管混凝土?？蚣芰汉椭那?qiáng)度為345MPa，支撐內(nèi)芯的屈服強(qiáng)度為235MPa。

1.2 數(shù)值模型

圖1 算例示意圖

取框架2層中間跨梁、柱和支撐節(jié)點(diǎn)單獨(dú)進(jìn)行有限元分析。節(jié)點(diǎn)板與梁、柱翼緣均采用坡口對(duì)接焊縫連接，梁腹板與柱翼緣也采用焊縫連接。鋼材是理想的彈塑性材料，對(duì)鋼材的計(jì)算模型采用Von Mises屈服準(zhǔn)則和雙線段隨動(dòng)強(qiáng)化準(zhǔn)則，材料的彈性模量為206GPa，泊松比為0.3。混凝土采用Von Mises屈服準(zhǔn)則和多線段隨動(dòng)強(qiáng)化準(zhǔn)則［10］，單軸峰值壓應(yīng)力為30MPa，峰值壓應(yīng)變?yōu)?.002，彈性模量為30 000 MPa，泊松比為0.2。整個(gè)模型采用C3D8I（八節(jié)點(diǎn)六面體線性非協(xié)調(diào)模式）單元。

箱型柱截面尺寸：660mm×660mm×32mm；柱高7 800mm。

H型梁截面尺寸：600mm×300mm×10mm×20mm；梁長(zhǎng)4 000mm。

節(jié)點(diǎn)板尺寸：400mm×400mm；厚度為20mm。

BRB截面尺寸：十字型內(nèi)芯高度×厚度＝80mm×10mm，寬厚比b／t＝8，總長(zhǎng)3 587mm，外觀尺寸為270mm×270mm，鋼管長(zhǎng)3 387mm，厚度為5mm，內(nèi)芯與混凝土之間預(yù)留2mm的間隙。

1.3 邊界條件及加載方式

為了更真實(shí)地模擬梁柱節(jié)點(diǎn)的受力變化，有限元模型采用實(shí)體單元建模，在劃分網(wǎng)格時(shí)采用結(jié)構(gòu)化（structure）網(wǎng)格劃分技術(shù)。由于在實(shí)體單元中X、Y、Z三個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)是無(wú)效的，所以對(duì)柱子的上下端以及梁的懸臂端均約束X、Y、Z三個(gè)方向的平移。屈曲約束支撐外包的混凝土和鋼管兩端也進(jìn)行三個(gè)方向上的平移約束。

在分析中對(duì)模型施加往復(fù)位移荷載，位移大小進(jìn)行變幅控制，加載位置均在支撐的懸臂端。

圖2 梁柱節(jié)點(diǎn)有限元模型

2 節(jié)點(diǎn)有限元分析結(jié)果

2.1 對(duì)比分析

對(duì)帶BRB的梁柱節(jié)點(diǎn)和帶普通支撐（去掉外面包裹的鋼管和混凝土）的梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行循環(huán)荷載下的抗震性能對(duì)比分析，位移加載方式如圖3所示。

從圖3中可看出帶BRB節(jié)點(diǎn)的滯回曲線比帶普通支撐節(jié)點(diǎn)的滯回曲線明顯要飽滿(mǎn)許多，而且曲線更穩(wěn)定，說(shuō)明BRB具有良好的耗能能力，能夠提高節(jié)點(diǎn)的抗震性能，繼而對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的承載力和穩(wěn)定性都有所提高。而帶普通支撐的節(jié)點(diǎn)，支撐在受壓時(shí)出現(xiàn)了明顯的強(qiáng)度和剛度退化現(xiàn)象，且在荷載加載過(guò)程中支撐發(fā)生了屈曲變形，相對(duì)帶BRB的節(jié)點(diǎn)，抗震性能顯然不如前者好，所以在支撐外面設(shè)置鋼管和混凝土可對(duì)限制支撐變形起到一定的作用。

2.2 參數(shù)分析

針對(duì)帶BRB的框架梁柱節(jié)點(diǎn)，通過(guò)變換支撐內(nèi)芯的屈服強(qiáng)度以及節(jié)點(diǎn)板的大小、厚度和節(jié)點(diǎn)板上面外加勁肋的長(zhǎng)度來(lái)觀察這些參數(shù)對(duì)節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響。

2.2.1 內(nèi)芯屈服強(qiáng)度的影響 選取屈曲約束支撐內(nèi)芯分別為L(zhǎng)Y100、LY160、LY190、LY225四種低屈服點(diǎn)鋼［11］進(jìn)行節(jié)點(diǎn)滯回性能的對(duì)比，分析結(jié)果如圖4所示。

從圖4中可看出，（a）、（b）、（c）、（d）4幅圖的滯回曲線都很穩(wěn)定、飽滿(mǎn)，均表現(xiàn)出良好的耗能能力，都沒(méi)有出現(xiàn)強(qiáng)度和剛度退化的現(xiàn)象。圖（a）中滯回環(huán)由小變大比較分明，且在4種滯回環(huán)中飽滿(mǎn)程度最大，根據(jù)能量耗散系數(shù)計(jì)算公式［12］可算出內(nèi)芯為L(zhǎng)Y100時(shí)耗散系數(shù)最大，且相比LY225時(shí)耗能能力要提高7%。說(shuō)明內(nèi)芯為L(zhǎng)Y100時(shí)節(jié)點(diǎn)耗能性能最好，LY100在4種低屈服點(diǎn)鋼中屈服強(qiáng)度最低，當(dāng)有荷載作用時(shí)支撐內(nèi)芯能夠較早地屈服來(lái)吸收地震荷載所帶來(lái)的能量，從圖（a）第一個(gè)環(huán)就可看出在承載力相對(duì)較小時(shí)曲線即發(fā)生拐彎。

圖3 節(jié)點(diǎn)滯回曲線

2.2.2 節(jié)點(diǎn)板大小的影響 選取節(jié)點(diǎn)板尺寸分別為300mm×300mm，400mm×400mm，500mm×500mm和600mm×600mm的節(jié)點(diǎn)模型進(jìn)行循環(huán)荷載下的抗震性能對(duì)比分析，分析結(jié)果如圖5所示。

從圖5中可看出（a）、（b）、（c）、（d）4幅圖的滯回曲線均穩(wěn)定飽滿(mǎn)，沒(méi)有出現(xiàn)強(qiáng)度和剛度退化的現(xiàn)象，說(shuō)明都有一定的耗能能力，隨著節(jié)點(diǎn)板尺寸的增大，滯回環(huán)的面積有所增大。節(jié)點(diǎn)板為500mm×500mm時(shí)計(jì)算出節(jié)點(diǎn)耗散系數(shù)在四者中最大，比節(jié)點(diǎn)板為300mm×300mm時(shí)節(jié)點(diǎn)耗能性能要提高1.3%，但當(dāng)節(jié)點(diǎn)板尺寸變?yōu)?00mm×600mm時(shí)耗散系數(shù)反而沒(méi)有增加，不成線性比例增長(zhǎng)，說(shuō)明增大節(jié)點(diǎn)板的尺寸能夠提高BRB的耗能能力，進(jìn)而提高節(jié)點(diǎn)的抗震性能，但是過(guò)大的節(jié)點(diǎn)板可能導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)板自身先會(huì)發(fā)生面外失穩(wěn)［13－14］，從而影響支撐的耗能能力。

2.2.3 節(jié)點(diǎn)板厚度的影響 選取節(jié)點(diǎn)板的厚度分別為12、16、20和24mm的節(jié)點(diǎn)模型進(jìn)行抗震性能的對(duì)比分析，分析結(jié)果如圖6所示。

從圖6中可看出，（a）、（b）、（c）、（d）4幅圖的滯回曲線都很穩(wěn)定飽滿(mǎn)，沒(méi)有出現(xiàn)強(qiáng)度和剛度退化的現(xiàn)象，隨著節(jié)點(diǎn)板厚度的增加滯回環(huán)的面積逐漸增大，耗散系數(shù)也隨之增大，節(jié)點(diǎn)板厚度從12、16、20到24mm，相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)耗能性能依次增長(zhǎng)1.3%，0.5%和0.8%。說(shuō)明節(jié)點(diǎn)板厚度的增加也能提高BRB的耗能性能，進(jìn)而提高節(jié)點(diǎn)的抗震能力。因節(jié)點(diǎn)板與梁和柱均焊接，故可把節(jié)點(diǎn)板對(duì)框架梁柱節(jié)點(diǎn)的作用看作是對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)域的加掖，隨著節(jié)點(diǎn)板厚度的增加，這種加掖作用就在增強(qiáng)。

圖4 支撐內(nèi)芯在不同屈服強(qiáng)度下節(jié)點(diǎn)的滯回曲線

2.2.4 面外加勁肋長(zhǎng)度的影響 選取面外加勁肋長(zhǎng)度分別為150、200、250、300mm的節(jié)點(diǎn)模型進(jìn)行抗震性能的對(duì)比分析，分析結(jié)果如圖7所示。

從圖7中可看出，（a）、（b）、（c）、（d）4幅圖的滯回曲線都很穩(wěn)定飽滿(mǎn)，說(shuō)明加勁肋在四種不同長(zhǎng)度的情況下BRB均有一定的耗能能力，隨著節(jié)點(diǎn)板上面外加勁肋的增長(zhǎng)，滯回環(huán)面積明顯增大，且面外加勁肋為300mm時(shí)節(jié)點(diǎn)的耗散系數(shù)最大，節(jié)點(diǎn)的耗能能力依次增長(zhǎng)了1%、0.5%和1%，表明加勁肋的長(zhǎng)度對(duì)支撐的耗能性能有一定的影響，且加勁肋越長(zhǎng)支撐的耗能能力越強(qiáng)。究其原因，加勁肋的增長(zhǎng)可增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)板的穩(wěn)定承載力［15］，減小節(jié)點(diǎn)板發(fā)生面外失穩(wěn)的可能性，繼而提高整個(gè)節(jié)點(diǎn)的抗震性能。

圖5 不同節(jié)點(diǎn)板大小下節(jié)點(diǎn)的滯回曲線

3 結(jié) 論

利用ABAQUS軟件分別對(duì)帶有BRB的鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)和帶普通支撐的框架梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了非線性有限元分析，對(duì)比兩種支撐加入框架中對(duì)節(jié)點(diǎn)抗震性能的不同影響，以及針對(duì)帶有BRB的鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)分析，討論參數(shù)變換對(duì)節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響規(guī)律，得出以下結(jié)論：

1）BRB在外包鋼管和混凝土的約束下耗能能力明顯比沒(méi)有約束作用下的普通支撐耗能能力強(qiáng)，相對(duì)應(yīng)的帶有BRB的鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)要比帶普通支撐的梁柱節(jié)點(diǎn)的抗震性能好。

2）BRB的耗能性能隨著支撐內(nèi)芯屈服強(qiáng)度的降低而提高，內(nèi)芯屈服強(qiáng)度越低，支撐的耗能性能就越好，且內(nèi)芯為L(zhǎng)Y100比LY225時(shí)節(jié)點(diǎn)耗能能力要提高7%。在實(shí)際工程中可根據(jù)荷載情況優(yōu)先考慮內(nèi)芯屈服強(qiáng)度低的屈曲約束支撐，對(duì)于LY225這種具有一定強(qiáng)度的低屈服點(diǎn)鋼材在承受大的地震作用時(shí)可能更有優(yōu)勢(shì)。

圖6 不同節(jié)點(diǎn)板厚度下節(jié)點(diǎn)的滯回曲線

3）節(jié)點(diǎn)板的大小對(duì)BRB的耗能能力有一定的影響，隨著節(jié)點(diǎn)板的增大支撐的耗能性能有所提高，節(jié)點(diǎn)板為500mm×500mm時(shí)計(jì)算出節(jié)點(diǎn)的耗散系數(shù)在四者中最大，比節(jié)點(diǎn)板為300mm×300mm時(shí)節(jié)點(diǎn)耗能性能要提高1.3%，但節(jié)點(diǎn)板尺寸變?yōu)?00mm×600mm時(shí)耗散系數(shù)反而沒(méi)有增加，不成線性增長(zhǎng)，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)板尺寸過(guò)大，梁柱對(duì)其直角嵌固邊的約束力降低，會(huì)導(dǎo)致自身先發(fā)生面外失穩(wěn)，進(jìn)而影響整個(gè)節(jié)點(diǎn)的抗震性能。

4）節(jié)點(diǎn)板的厚度也會(huì)影響B(tài)RB的耗能能力，隨著節(jié)點(diǎn)板厚度的逐漸增大支撐的耗能性能有很明顯的提高，節(jié)點(diǎn)板厚度從12、16、20到24mm，節(jié)點(diǎn)的耗能性能依次增長(zhǎng)1.3%、0.5%和0.8%。此時(shí)節(jié)點(diǎn)板相當(dāng)于是對(duì)節(jié)點(diǎn)起到加掖的作用，加掖作用越強(qiáng)，節(jié)點(diǎn)承載力及抗震性能越高。

5）節(jié)點(diǎn)板面外加勁肋的長(zhǎng)度對(duì)BRB的耗能性能也有影響，隨著加勁肋的增長(zhǎng)，支撐的耗能性能也會(huì)有明顯的提高，且面外加勁肋為300mm時(shí)節(jié)點(diǎn)的耗散系數(shù)最大，節(jié)點(diǎn)的耗能能力依次增長(zhǎng)了1%、0.5%和1%，因?yàn)榧觿爬邔?duì)節(jié)點(diǎn)板來(lái)說(shuō)起到提高節(jié)點(diǎn)板穩(wěn)定性的作用，當(dāng)節(jié)點(diǎn)板較薄時(shí)，其平面外抗彎剛度較小，而加勁肋板的設(shè)置大大增加了節(jié)點(diǎn)板整體的平面外剛度。與此同時(shí)，加勁肋越長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)板的穩(wěn)定承載力就越高，進(jìn)而整個(gè)節(jié)點(diǎn)的抗震性能也會(huì)提高。

圖7 不同面外加勁肋長(zhǎng)度下節(jié)點(diǎn)的滯回曲線

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